Исследователи открывают особый феномен магнетизма в нано диапазоне

Команда ученых из ETH Zurich и Института Пола Шеррера (PSI) определила уникальное явление магнетизма в нанометровом диапазоне.

Если группа атомов кобальта ориентируется на север или юг (красный), соседние атомы кобальта выровняйте на запад или восток (синий). Ориентация соседних атомов находится внутри плоскости. Это взаимодействие требует размещения слоя кобальта между слоем платины (внизу, бежевый) и слоем оксида алюминия (выше, здесь не показан). (Фото предоставлено Институтом Пола Шеррера / Чжаочу Луо)

Это явление позволяет собирать магниты в необычных конфигурациях. Это может быть использовано для создания коммутаторов и памяти компьютера для повышения производительности микропроцессоров. Результаты исследования были недавно опубликованы в журнале Science .

Хорошо известен тот факт, что магниты характеризуются как южным, так и северным полюсами. Придерживая два нормальных магнита близко друг к другу, полюса отталкивают друг друга, а противоположные полюса притягивают друг друга. Это является причиной почему магнитные иглы, подобно тем, которые видны в компасе, могут ориентироваться в магнитном поле Земли, так что их можно использовать для установления основных направлений на юг и север и, следовательно, отсюда запад и восток. Это правило верно в мире, который люди испытывают каждый день своими чувствами. И наоборот, это изменится, когда люди покинут макроскопическое царство и погрузятся в глубины относительно меньших измерений. Теперь ученые из PSI и ETH Zurich идентифицировали чрезвычайно уникальное магнитное взаимодействие на уровне наноскопических структур, состоящих из магнитных слоев, которые измеряют толщину всего в несколько атомов.

Эти атомы ведут себя как очень маленькие иглы компаса и раскрывают свое воздействие на небольших расстояниях в нанометровом диапазоне, что составляет несколько миллионных долей миллиметра. По этой причине исследователи также называют их наномагнитами.

Особое явление, наблюдаемое сейчас командой PSI, основано на взаимодействии, которое было предсказано двумя физиками Тору Марией и Игорем Дзялошинским более шести десятилетий назад. По словам Чжаочу Луо, физика из PSI и ETH Zurich, это взаимодействие было их отправной точкой.

Северо-западное и юго-восточное сочетание атомов

В этом взаимодействии иглы атомного компаса способны выравниваться как в направлении север-юг, так и в направлении восток-запад.

« Где точка зависит от того, как атомы в их окрестности ориентируются », – сообщил первый автор исследования Чжаочу Луо.

Например, если набор атомов направлен на север, соседняя группа атомов всегда будет ориентироваться на запад. Точно так же, если набор атомов указывает в южном направлении, то соседние атомы будут указывать на восток. Электрические токи или магнитные поля могут изменять ориентацию, то есть с юга на север и наоборот. Затем смежные группы атомов переориентируются, соответственно, либо с Востока на Запад, либо наоборот.

Команда отметила соединение ориентаций юго-востока и северо-запада с помощью слоя атомов кобальта толщиной всего 1,6 нм, который был плотно упакован между слоем оксида алюминия с одной стороны и платиной слой на другой. По словам Чжаочу Луо, который в настоящее время работает в исследовательской группе Мезоскопических систем Лауры Хейдерман в PSI, потребовалось примерно шесть месяцев, чтобы просто разработать эти уникальные слои для своих экспериментов.

Что удивительного в этом, так это то, что такое взаимодействие происходит только сбоку, то есть в одной плоскости. Ранее подобные связи между наномагнитами можно было идентифицировать только по вертикали, когда наборы атомов организованы один над другим.

Уникальное явление, выявленное совместно исследователями из PSI и ETH Zurich, позволяет формировать плоские магнитные сети. Например, синтетические антиферромагнетики могут быть разработаны, среди прочего. В синтетических антиферромагнетиках группы атомов указывают на юг или север через равные промежутки времени. Противостоящие наномагниты имеют тенденцию нейтрализовать друг друга в сумме, так как их число примерно одинаково. В результате, на первый взгляд, антиферромагнетики не ведут себя как магниты – например, их нельзя прикрепить к двери холодильника.

Смежные атомы, ориентированные либо на восток, либо на запад, ведут себя как распорки, изолирующие магниты, указывающие на юг или север, каждый из которых имеет размеры всего несколько нанометров. Например, это делает жизнеспособным разработку новых и более эффективных коммутаторов и памяти компьютера, которые последовательно повышают производительность микропроцессоров.

Логические ворота для компьютеров

Отдельные наномагниты, ориентированные либо на юг, либо на север, подходят для разработки логических элементов. Логический элемент может быть определен как строительный блок в компьютере и работает как своего рода коммутатор. Сигналы, поступающие в эти логические элементы, впоследствии обрабатываются в выходной сигнал. Большинство из этих логических элементов в компьютере объединены в сеть для выполнения различных операций. Такой тип ворот может быть даже разработан с использованием наномагнитов, выровненных по направлению на юг или север. Они похожи на процессоры, которые часто используются в наши дни с транзисторами, обрабатывающими сигналы в двоичной форме, которые могут интерпретировать все сигналы как один или ноль. Это также может быть сделано с помощью наномагнитов, которые ориентированы либо на юг, либо на север. Возможно, это может сделать микропроцессоры более эффективными и компактными.

По словам Пьетро Гамбарделлы, который руководил этим исследованием с Лорой Хейдерман, « эта работа обеспечивает платформу для проектирования массивов связанных наномагнетиков и достижения полностью электрического управления планарными логическими вентилями и устройствами хранения », как сообщается в Science .

Команда получила свои результаты в лаборатории, а также в Швейцарском источнике света SLS в PSI.

Source link